現象数値解析学分野

現象数値解析学分野　（Numerical Analysis of Flow Phenomena）

教員

教授　：石原　卓　Prof. ISHIHARA Takashi
E-mail：takashi_ishihara@（@以下はokayama-u.ac.jp を付けてください。）
専門分野：流体力学, 乱流物理，計算科学

准教授　：関本　敦　Assoc. Prof. SEKIMOTO Atsushi
E-mail：asekimoto@（@以下はokayama-u.ac.jp を付けてください。）
専門分野：熱流体力学，力学系，乱流モデル，随伴逆解析，輸送現象論，データ駆動科学

主な研究テーマ

　スーパーコンピュータを用いたマルチスケール・マルチフィジクス複雑流動現象の計算・データ科学；複雑流動現象の大規模データの数理的および科学的手法による情報縮約、抽出および可視化；天文、気象、環境や工学など様々な分野における複雑な流れの現象解明のための協働研究

マルチスケール・マルチフィジクス複雑流動現象の計算・データ科学

　微粒子の大気による輸送・拡散や内燃機関における高効率かつクリーンな燃焼は環境問題と関係するテーマである. これらはマルチスケール・マルチフィジクス複雑流動現象であり, その本質的解明には乱流の理解が欠かせない. そこで, 乱流の信頼性の高い数値計算手法の開発, スーパーコンピュータを用いた大規模数値シミュレーションおよび大規模データの多様な解析を行うことにより, 様々な乱流現象の理解と予測を目指した研究を実施している.

Navier-Stokes方程式の大規模な直接数値シミュレーションで得られた非線形性の強い（レイノルズ数の高い）乱流中の強い渦の組織構造

複雑流動現象の大規模データの数理的および科学的手法による情報縮約、抽出および可視化

　観測や大規模な数値シミュレーションによって得られる複雑流動現象の膨大なデータから重要な情報を効率的に引き出す手法が必要となっている. 乱流現象の理解には可視化と条件付き統計解析が有効である. パーシステント・ホモロジー解析ではスカラー場のトポロジーの時空間における「変化」を組織的に抽出可能である. そこで, これらを融合した数理科学的な解析・可視化方法を開発し, 複雑な流動現象の理解と実問題の解決に役立てたいと考えている.

温度スカラー場とそのパーシステント図

壁乱流の予測・制御のためのデータ駆動科学計算

　壁まわりの乱流現象は，壁面熱伝達や摩擦抵抗などに大きく寄与し，その予測・制御はエネルギーの効率的な利用につながる．現代では，数値シミュレーションによって，乱流場の時系列データが得られるようになり，今後は，工学現場での応用のために乱流の深い理解に基づいた予測・制御手法の開発が必要である．そこで，工学的に重要な諸問題に対して数値計算を行い，統計解析や力学系理論に加えて，機械学習などの情報科学の新たな手法を用いて，古典力学最後の難問と言われる乱流問題にチャレンジする．

平行平板間乱流中の秩序渦構造．流れは左から右（赤は時計回りの縦渦，青は反時計回りの縦渦を示す）．

力学系アプローチを用いた非線形現象の数理モデリングと最適化

　乱流を大自由度力学系ととらえ，ナビエ・ストークス方程式や乱流モデル方程式の平衡解や周期解などの不変解を数値的に抽出できる．それらが乱流現象に果たす役割は，乱流モデルや乱流制御技術の開発に応用できる．また，これらの知見は，非線形性が強い現象に共通するため，深層学習などで得られた数理モデルそのものの理解にも活かせる．相分離現象や燃焼などの化学反応，粒子の分離・凝集などの実データはあるがその支配方程式や数理モデルが定かではないような複雑プロセスのシミュレーション手法の開発や，工学現場で使いやすい最適化・制御方法の手法の研究開発を行う．

一様せん断流中の温度ゆらぎ（赤，青）と乱流中の秩序渦構造（灰色）

修了生の進路

アウトソーシングテクノロジー
SCSK

研究科紹介

現象数値解析学分野